Mechanizmus väzby excitácie s kontrakciou v normálnom a zlyhávajúcom myokarde cicavcov
Vedúci projektu: Ivan Zahradník
Trvanie: január 2005 – december 2007
Koordinujúca organizácia: Ústav molekulárnej fyziológie a genetiky SAV, Bratislava
Anotácia
Väzba excitácie s kontrakciou v srdcových myocytoch cicavcov je sprostredkovaná vápnikovou signalizáciou v tubulo-retikulárnom spojení, ktorá zahŕňa vtok vápnika z vonkajšieho prostredia, uvoľnenie vápnika zo sarkoplazmatického retikula, a inaktiváciu oboch procesov. V zlyhávajúcom srdci je kontraktilita kardiomyocytov narušená v dôsledku zníženého uvoľňovania vápnika. Cieľom predloženého projektu je zistiť vzťah medzi organizáciou tubulo-retikulárneho spojenia a vápnikovou signalizáciou v normálnom a zlyhávajúcom srdci. Využijeme naše osvedčené metodologické a teoretické prístupy (meranie čistých vápnikových prúdov a lokálnych vápnikových signálov, stereologická identifikácia prostredia organel, modelovanie reakčno-difúznych procesov, simulácia aktivity vápnikových kanálov tubulo-retikulárneho spojenia a geometrické modelovanie), umožňujúce charakterizovať organizáciu tubulo-retikulárneho spojenia a vápnikovú signalizáciu medzi vápnikovými kanálmi.
Kľúčové slová
myokard, myocyt, vápniková signalizácia, iónové kanály, kontraktilita, srdcové zlyhanie
Ciele
Väzba excitácie s kontrakciou v srdcovom svale cicavcov je založená na vápnikovej signalizácii v tubulo-retikulárnom spojení. Naša základná hypotéza je, že špecifická mikroarchitektúra tubulo-retikulárneho spojenia pozostávajúceho z aponovaných klastrov DHPR a RyR kanálov, spolu s ich špecifickými Ca-závislými vrátkovacími vlastnosťami, dáva procesu väzby excitácie s kontrakciou v srdcových myocytoch charakteristické vlastnosti. Formulácia tejto hypotézy vyústila do konceptu jednotky väzby excitácie s kontrakciou (ECCU). ECCU je chápaná ako kompletná množina kanálov v diadickom spojení (excitačná jednotka – EU – zložená z DHPR kanálov, a Ca-uvoľňujúca jednotka – RU – zložená z RyR kanálov), definovaná vodivostnými a vrátkovacími vlastnosťami, topológiou a iónovým prostredím zúčastnených kanálov. Cieľom tohto projektu je definovať úlohu zmien mikroarchitektúry srdcových svalových buniek, teda vlastností ECCU a ich distribúcie, v narušenej efektívnosti uvoľňovania vápnika v zlyhávajúcom srdci. Na dosiahnutie tohto cieľa budeme využívať viaceré pôvodné metódy vyvinuté v našich laboratóriách, menovite model kinetiky vápnikového prúdu s inaktiváciou závislou na uvoľnení vápnika (RZI), software na simuláciu elektrofyziologického experimentu založený na simulácii interakcie klastrov kanálov, techniku selektívnej indukcie RZI vápnikového prúdu, modelovanie reakčno-difúznych procesov v diáde, stereologickú identifikáciu prostredia organel a geometrické modelovanie svalových buniek. Sústredíme sa na dva úzko nadväzujúce špecifické ciele: (1) Testovať hypotézu, že znížená účinnosť a spoľahlivosť vápnikom indukovaného uvoľnenia vápnika v zlyhávajúcom srdci je spôsobená zmenami ECCU; (2) Testovať hypotézu, že zmeny v uvoľňovaní vápnika v zlyhávajúcich myocytoch sú spôsobené zmenami v organizácii ECCU jednotiek v bunke.
Publikácie
- Zahradnikova A, Valent I, Zahradnik I (2010): Frequency and release flux of calcium sparks in rat cardiac myocytes: a relation to RYR gating. J Gen Physiol 136: 101-116.
- Parulek J, Sramek M, Cerveansky M, Novotova M, Zahradnik I (2009). A cell architecture modeling system based on quantitative ultrastructural characteristics. Methods Mol Biol. 500: 289-312.
- Parulek J, Sramek M, Zahradnik I (2009). GeomCell Design of Cell Geometry. Recent Advances in the 3d Physiological Human, N. Magnenat-Thalmann et al. (eds.), Springer-Verlag London Ltd, p. 21-36.
- Polakova E, Zahradnikova A Jr, Pavelkova J, Zahradnik I, Zahradnikova A (2008). Local calcium release activation by DHPR calcium channel openings in rat cardiac myocytes. J Physiol. 586: 3839-3854.
- Zahradnik I, Minarovic I, Zahradnikova A (2008). Inhibition of the cardiac L-type calcium channel current by antidepressant drugs. J Pharmacol Exp Ther. 324:977-984.
- Athéa Y, Viollet B, Mateo P, Rousseau D, Novotova M, Garnier A, Vaulont S, Wilding JR, Grynberg A, Veksler V, Hoerter J, Ventura-Clapier R. (2007): AMP-activated protein kinase alpha2 deficiency affects cardiac cardiolipin homeostasis and mitochondrial function. Diabetes. 586: 786-794.
- Novak P, Gaburjakova M, Zahradnik I (2007): BLM Analyzer: a software tool for experiments on planar lipid bilayers. Biotechniques. 42: 335-336, 338-339, 341.
- Valent I, Zahradnikova A, Pavelkova J, Zahradnik I (2007): Spatial and temporal Ca2+, Mg2+, and ATP(2-) dynamics in cardiac dyads during calcium release. Biochim Biophys Acta-Biomembr. 1768: 155-166.
- Zahradnikova A, Minarovic I, Zahradnik I (2007): Competitive and cooperative effects of bay k8644 on the L-type calcium channel current inhibition by calcium channel antagonists. J Pharmacol Exp Ther. 322: 638-645.
- Zahradnikova A Jr, Polakova E, Zahradnik I, Zahradnikova A (2007). Kinetics of calcium spikes in rat cardiac myocytes. J Physiol 578: 677-691.
- Novak P, Zahradnik I (2006): Q-method for high-resolution, whole-cell patch-clamp impedance measurements using square wave stimulation. Ann Biomed Eng. 34: 1201-1212.
- Novak P, Zahradnik I (2005): Computer-aided formation of the whole-cell patch-clamp recording configuration. Gen Physiol Biophys. 24: 337-348.
- Zahradnik I, Gyorke S, Zahradnikova A (2005). Calcium activation of ryanodine receptor channels–reconciling RyR gating models with tetrameric channel structure. J Gen Physiol. 126: 515-527.